氣體輸送的特點

（ 1 ） 氣體密度小 （約為液體密度的 1/1000 左右），對一定的質(zhì)量流量， 體積流量很大 ， 氣體輸送管路中的流速要比液體輸送管路的流速大得多。 液體在管道中的經(jīng)濟流速為 1 ～ 3 m/s ：而氣體為 15 ～ 25 m/s ，約為液體的 10 倍。若利用各自經(jīng)濟流速輸送同樣的質(zhì)量流量，經(jīng)相同管長后氣體的阻力損失約為液體阻力損失的 10 倍。

（ 2 ）氣體因具有可壓縮性，故在輸送機械內(nèi)部氣體壓強發(fā)生變化的同時， 體積和溫度也將隨之發(fā)生變化， 這些變化對氣體輸送機械的結(jié)構(gòu)、形狀有很大影響。對潤滑油的工作有影響，嚴重時會損壞機械；另外單機壓縮比不能太大，否則要增大冷卻裝置。

氣體輸送機械的分類

（ 1 ）根據(jù)它所能產(chǎn)生的 進、出口壓強差 （如進口壓強為大氣壓，則壓差即為表壓計的出口壓強）或 壓強比（稱為壓縮比 ）

a 、通風機：出口壓強（表壓）不大于 ￡ 15 kPa ，壓縮比為 1 ～ 1.15 ；

b 、鼓風機：出口壓強（表壓）為 15 ～ 300 kPa ，壓縮比 ≤ 4 ；

c 、壓縮機：出口壓強（表壓）為 300 kPa 以上，壓縮比 >4 ；

d 、真空泵：用于減壓，出口壓強（表壓）為 0.1MPa （大氣壓），主要使容器或設備內(nèi)造成真空（將其中氣體抽出），其壓縮比由真空度決定。

（ 2 ）根據(jù)工作原理：

a 、離心式：如通風機；

b 、正位移式：如Y型往復壓縮機；

c 、真空泵。

（ 3 ）根據(jù)應用：

• 輸送氣體：流量大，壓頭?。ㄈ缤L機、鼓風機）；

b 、產(chǎn)生高壓氣體：如合成氨、甲醇反應（如壓縮機，分離心式和往復式）；

c 、產(chǎn)生真空：吸入負壓，常壓排出（如真空泵）

5.2 離心式通風機

圖2-22離心通風機

1 、工作原理

離心式通風機在工業(yè)生產(chǎn)中常用于輸送氣體，其工作原理與離心泵完全相同，即依靠葉輪的旋轉(zhuǎn)運動產(chǎn)生離心力以提高氣體的壓力。

2 、構(gòu)造

與離心泵也大同小異，但蝸殼形機殼內(nèi)逐漸擴大的氣體通道及出口的截面有方形（矩形）和圓形兩種。一般中、低壓通風機多是方形，高壓為圓形。與離心泵相比，離心式通風機的葉輪直徑比較大（為適應輸送量大和壓頭高的要求），葉輪上葉片數(shù)目比較多而且長度較短，葉片有平直（低壓風機）、后彎或前彎葉片（中、高壓風機）。通風機的葉片形狀并不一定是后彎的，為產(chǎn)生較高壓頭也有徑向或前彎葉片。前彎葉片可使結(jié)構(gòu)緊湊，但效率低，功率曲線陡升，易造成原動機過載。因此，所有高效風機則都是后彎葉片。

3 、離心式通風機的主要性能參數(shù)與特性曲線：

離心式通風機的主要性能參數(shù)和離心泵相似，主要包括流量（風量）、全壓（風壓）、功率和效率。

（ 1 ）風量：單位時間通過進風口的氣體體積流量。注意氣體的體積按進口狀況計。

（ 2 ） 全壓（又稱風壓） p_T ：單位體積氣體所獲得的機械能。 其因次為 [M L_-1 T _-2 ] ， SI 單位為 N/m² ，與壓強相同。此參數(shù)相當于離心泵的揚程。根據(jù)所產(chǎn)生的全壓大小，離心式通風機又可分為低壓（ p_T ≤ 1 k Pa ）、中壓（ p_T = 1~3 k Pa ）、高壓（ p_T = 3~15 k Pa ）離心式通風機。

通風機的風壓與氣體密度成正比。以單位體積（ 1m³ ）氣體為計算基準，對通風機進、出口截面（分別以下標 1 、 2 表示）作機械能衡算，可得通風機的全壓：（ 2-26）

因式中 （Z₂ - Z₁）ρg 可以忽略，當空氣直接由大氣進入通風機時， u₁ 也可以忽略，則上式簡化為：

（ 2-27）

通風機的壓頭由兩部分組成：壓差（ p₂ - p₁ ）為風機提供的靜壓頭，習慣上稱為 靜風壓 p_s ；而 ρu₂² / 2 稱為 動風壓 p_K 。對離心泵而言，揚程主要來自于泵出口和泵入口之間的壓強差，其他項所占分量都很小，泵進、出口處的動能差很小，可以忽略。但對通風機，靜壓能這一項并不是很大，而氣體出口速度很大，故出口氣體的動能卻不能忽略。因此，與離心泵相比，通風機的性能參數(shù)多了一個動風壓 p_K 。

通風機的風壓與氣體密度成正比（而離心泵的揚程不隨流體的密度變化）。而通風機性能表上所列風壓，一般是在試驗介質(zhì)為壓強為 0.1 M Pa 、溫度為 20 ° C 的空氣（ ρ' = 1.205 kg/m³ ）測定的。因此，在選用通風機，如所輸送氣體的密度與試驗介質(zhì)相差較大，應先將實際所需全壓 p_T 換算成試驗狀況下的全壓 p_T ' ，然后根據(jù)產(chǎn)品樣本中的數(shù)據(jù)確定風機的型號。由全壓公式可知，全壓換算可按下式進行：

（ 2-28）

（ 3 ）離心式通風機的軸功率為：

（ 2-29）

圖2-23離心通風機的特性曲線

η 為全壓效率（因按全風壓定出）。 P_T 與 q_v 應為同一狀態(tài)下的數(shù)值。離心式通風機在設計流量下的 η 約 70~90 % 。

（ 4 ）離心通風機的特性曲線：

四條： p_T ~ q_V 、 p_s ~ q_V 、 P_a ~ q_V 和 η ~ q_V 。

5.3 往復式壓縮機

1 、結(jié)構(gòu)與工作原理

與往復泵相似。但因為氣體的密度小、可壓縮。故壓縮機的吸入和排除活門必須更加靈巧精密；為移除壓縮放出的熱量以降低氣體的溫度，必須附冷卻裝置。

圖2-24往復泵壓縮機的工作過程

2 、工作過程

右圖為單作用往復式壓縮機的工作過程。

當活塞運動至氣缸的最左端（圖中 A 點），壓出行程結(jié)束。但因為機械結(jié)構(gòu)上的原因，雖則活塞已達行程的最左端，氣缸左側(cè)還有一些容積，稱為 余隙容積 。 由于余隙的存在，吸入行程開始階段為余隙內(nèi)壓強為 p₂ 的高壓氣體膨脹過程，直至氣壓降至吸入氣壓 p₁ （圖中 B 點）吸入活門才開啟，壓強為 p₁ 的氣體被吸入缸內(nèi)。在整個吸氣過程中，壓強 p₁ 基本保持不變，直至活塞移至最右端（圖中 C 點），吸入行程結(jié)束。當壓縮行程開始，吸入活門關(guān)閉，缸內(nèi)氣體被壓縮。當缸內(nèi)氣體的壓強增大至稍高于 p₂ （圖中 D 點），排出活門開啟，氣體從缸體排出，直至活塞移至最左端，排出過程結(jié)束。

壓縮機的一個工作循環(huán)是由膨脹、吸入、壓縮和排出四個階段組成 。 四邊形 ABCD 所包圍的面積，為活塞在一個工作循環(huán)中對氣體所做的功。

3 、過程分析：

根據(jù)氣體和外界的換熱情況，壓縮過程可分為等溫（ CD'' ）、絕熱（ CD' ）和多變（ CD ）種情況。由圖可見，等溫壓縮消耗的功最小，因此壓縮過程中希望能較好冷卻，使其接近等溫壓縮。

實際上，等溫和絕熱條件都很難做到，所以壓縮過程都是介于兩者之間的 多變過程 。如不考慮余隙的影響，則多變壓縮后的氣體溫度 T₂ 和一個工作循環(huán)所消耗的外功 W 分別為：

和 （ 2-30）

式中 k 稱為多變指數(shù)，為一實驗常數(shù)； V_C 為吸入容積。

上式說明，影響排氣溫度 T₂ 和壓縮功 W 的主要因素是：

（ 1 ）壓縮比愈大， T₂ 和 W 也愈大；

（ 2 ）壓縮功 W 與吸入氣體量（即式中的 p₁ V_C ）成正比；

（ 3 ）多變指數(shù) k 愈大則 T ₂ 和 W 也愈大。壓縮過程的換熱情況影響 k 值，熱量及時全部移除，則為等溫過程，相當于 k=1 ；完全沒有熱交換，則為絕熱過程， k = γ （氣體絕熱指數(shù)）；部分換熱則 1 < k < γ。值得注意的是 γ大的氣體 k 也較大。空氣、氫氣等 γ= 1.4 ，而石油氣則 γ = 1.2 左右，因此在石油氣壓縮機用空氣試車或用氮氣置換石油氣時，必須注意超負荷及超溫問題。

壓縮機在工作時，余隙內(nèi)氣體無益地進行著壓縮膨脹循環(huán)，且使吸入氣量減少。余隙的這一影響在壓縮比 p₂ /p₁ 大時更為顯著。當壓縮比增大至某一極限值時，活塞掃過的全部容積恰好使余隙內(nèi)的氣體由 p₂ 膨脹至 p₁ ，此時壓縮機已不能吸入氣體，即流量為零。這是壓縮機的極限壓縮比。此外，壓縮比增高，氣體溫升很高，甚至可能導致潤滑油變質(zhì)，機件損壞。因此，當生產(chǎn)過程的壓縮比大于 8 時，盡管離壓縮極限尚遠，也應采用多級壓縮。

下圖為兩級壓縮機示意圖。在**級中氣體沿多變線 ab 被壓縮至中間壓強 p ，以后進入中間冷卻器等壓冷卻到原始溫度，體積縮小，圖中以 bc 線表示。在第二級壓縮中，從中間壓強開始，圖中以 cd 線表示。這樣，由一級壓縮變?yōu)閮杉墘嚎s后，其總的壓縮過程較接近于等溫壓縮，所節(jié)省的功為陰影面積 bcdd' 所代表。

圖2-25兩級壓縮機

在多級壓縮中，每級壓縮比減小，余隙的不良影響減弱。

往復壓縮機的產(chǎn)品有多種，除空氣壓縮機外，還有氨氣壓縮機、氫氣壓縮機、石油氣壓縮機等，以適應各種特殊需要。

往復式壓縮機的選用主要依據(jù)生產(chǎn)能力和排出壓強（或壓縮比）兩個指標。生產(chǎn)能力用 m³ /min 表示，以吸入常壓空氣來測定。在實際選用時，首先根據(jù)所輸送氣體的特殊性質(zhì)，決定壓縮機的類型，然后再根據(jù)生產(chǎn)能力和排出壓強，從產(chǎn)品樣本中選用適用的壓縮機。

與往復泵一樣，往復式壓縮機的排氣量也是脈動的。為使管路內(nèi)流量穩(wěn)定，壓縮機出口應連接氣柜。氣柜兼起沉降器作用，氣體中夾帶的油沫和水沫在氣柜中沉降，定期排放。為安全起見，氣柜要安裝壓力表和安全閥。壓縮機的吸入口需裝過濾器，以免吸入灰塵雜物，造成機件的磨損。